基于RFID的变速箱装配线生产管理研究

    1 引言

    随着客户对变速箱产品的个性化要求越来越高，装配方式也由传统的单一装配向混线装配转变，生产控制的规模和复杂程度也逐渐提高，因此对系统的柔性能力、生产管理和质量控制的要求也越来越高。而传统方式的纸制条形码容易破坏及条码信息在装配过程中不能更改，从而不能将装配过程的信息实时记录下来并反馈给上层生产管理系统，也很难快速找出故障原因及准确跟踪变速器装配过程。因此，在变速箱装配过程中急需一种新的信息识别技术来改进条形码的不足。

    RFID（Radio Frequency Identification）作为一种非接触式自动识别技术，目前已有国内外学者对RFID 在生产过程中的应用进行相关研究。Gary M.Gaukler通过分析RFID 在装配防差错管理中的应用，构建了RFID 应用成本收益定量分析决策模型。Fagui Liu 和Zhaowei Miao在分析陶瓷浴缸生产过程的基础上，提出了基于RFID 的生产过程动态监控系统。臧传真和范玉顺通过分析RFID 等智能物件技术在制造企业的应用场景，构建了基于智能物件的制造企业信息系统。

    因此本文提出将RFID技术应用在变速箱装配过程，能够满足装配线管理的信息化需求，实现对变速箱装配的实时、准确的跟踪，从而解决条码技术在跟踪变速箱装配过程中存在的问题。

    2 变速箱装配线生产管理现状

    目前大部分变速箱生产企业采用了企业资源计划（ERP）系统以及制造执行系统（MES）。ERP 作为企业管理的最上层，其主要功能是把物料信息、采购到货信息、订单信息等资源类信息传给MES，同时MES 根据来自ERP 的主生产计划自动生成各个工件的工艺流程、工序时间、对应的逻辑关系、生产资源等，最后MES 经过处理把物料需求计划、生产队列计划、车间现场信息等反馈给ERP 系统。由于条码技术的局限性，使得ERP、MES 信息非常滞后，信息的实时性较差。总结起来变速箱装配线存在以下问题：

    2.1 生产流程管理方面

    1）总装生产数据不能及时统计，使产品统计的及时可查询性和数据准确性得不到保证，且造成人力资源的浪费；
    2）目前整个生产线的管理以批次管理为单位，针对每一个具体的产品无法进行有效的管理，不能对生产线上每一个产品的生产过程进行有效的监控。

    2.2 生产质量过程管理和质量追溯方面

    1）生产过程质量管理。目前生产质量管理主要是采用汇总统计分析的方式,而随着客户个性化的要求，企业希望实现单品管理，记录单个产品的质量信息。
    2）质量追溯管理。变速箱产品的质量问题主要通过整机流水号查询零部件的批次号和供应商代号，无法准确快速的追溯到对应的批次，造成质量追溯困难。

    目前一些制造企业在其装配线上采用了先进的射频识别技术来解决信息脱节的问题。比如宝马汽车公司、三菱汽车公司都采用了RFID 技术来跟踪生产装配过程，国内的一汽大众总装线上也采用RFID技术来进行生产数据的采集。因此应用RFID 技术可以解决上述问题：通过把各个工位的动态装配信息写入标签内，实现装配线的动态调度，使生产调度更加及时准确；通过与MES 系统的连接，追踪每个变速箱的装配信息及所装零部件的信息；将装配过程的数据存储在标签中，减少网络负担，当信息系统发生中断时，生产过程数据也能够保存。

    3 系统设计

    3.1 系统的总体设计

    多品种变速箱装配生产管理系统一个由计算机控制和管理、网络通信、RFID 技术融合的装配线信息化管理系统。该系统主要通过在变速箱箱体上安装RFID 标签，在装配线的第一道工序阅读器将箱体的品种代号、流水号、各工位安装零部件信息及工位提示信息写入标签内。在装配线的关键工位以及需要防错功能的装配工位安装阅读器，通过阅读标签内的信息提示工作人员当前的箱体类型并拿取正确的零件进行装配。在质检工位阅读器将质量检验结果写入标签内，使每一工位的质量信息可查询、跟踪以及分析，从而指导整个装配线的工作。在最后一道工序内，阅读器将标签内的所有信息进行读取并送入车间信息系统，通过访问车间信息系统做到对生产信息的记录、跟踪和统计。通过将车间的首尾计算机、各工位阅读器通过网络进行连接，实现装配线信息上传至车间信息系统或更高级的ERP 系统。RFID标签的主要分布如图1 所示。

图 1 RFID工作示意图

    为了更好的说明装配线生产管理系统各组成的功能，现说明如下：
    1) RFID 标签。在变速箱箱体上线前安装RFID 标签，在箱体出厂前将标签回收，以重复利用，以及在物料配送的料箱上贴有RFID 标签。在标签内承载的主要信息有①箱体类型；②箱体标号；③待装配的零部件编号；④质量信息，在质检工位的质量检验结果（合格或者不合格）；⑤返修信息，返修次数及质量结果确认（合格或者不合格）。
    2）阅读器。在装配线的首位工位、关重工位、质量检验工位都安装有RFID 阅读器。阅读器的主要功能如下：①将箱体或料箱的初始信息写入标签内；②从箱体或者料箱上读取标签内的相关信息；③将所获信息传送至工位信息逻辑处理器（PLC），并根据信息内容再由PLC 送到工位显示器；④将装配作业质量信息写入箱体标签内。
    3）RFID 中间件。位于RFID 硬件和后台应用系统之间的一种软件，其主要任务是将数据送往企业应用系统之前进行标签数据校对、读写器协调、数据存储和业务处理等。
    4）工位信息看板。装配线上凡涉及需要多品种管理功能的工位，须安装看板。当箱体到达这些工位时，看板上应能及时显示由阅读器从箱体标签上读取的品种信息及其他特殊信息，指导操作者进行正确的装配。

    3.2 系统体系结构

    基于 RFID 的制造执行系统采用分层结构，系统体系结构如图2 所示。

图2 基于RFID的系统体系结构

    3.2.1 系统结构说明：其中物理层和中间件层是数据采集层，采用C/S 结构，通过RFID 的标签和阅读器组成的RFID 硬件系统实时获得装配线的生产数据，并通过通过中间件对原始数据进行过滤、去重以及初步的业务处理功能，减少上层的MES 的数据处理组件的工作。数据处理层用于对来自装配线的实时数据进行逻辑处理，按照MES 的系统需求，将来自低层的数据进行数据处理、融合、存储，以支撑功能层的数据要求。功能层实现MES 系统中面向用户的作业计划管理、生产调度、质量管理等功能。该部分采用B/S 结构，实现各职能部门对装配过程的管理及协调。系统集成接口层实现MES 系统与上层的ERP 系统进行数据和业务的集成。

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    3.2.2 系统业务流程：RFID 技术用于装配线上变速器的身份认证和标识，同时将RFID 技术和制造执行系统（MES）以及企业资源计划（ERP）系统下结合起来，使得企业的信息更为畅通和透明。首先，ERP 将生产计划通过网络连接传递给车间级MES，MES 对生产计划进行分解和调度，制定出装配作业的派工单。RFID 系统根据派工单将变速器的基本信息（包括各工序所需零部件信息）写入电子标签，并固定于箱体。总装过程中，各重要工序处的阅读器读取相应标签信息并与送来的零部件信息核对，以防止零部件的错装和漏装；利用阅读器的读写性能，质量检查工位阅读器将检查结果写入标签并与数据库中的质量标准进行核对，筛选出不合格品；由于RFID 系统实现了与MES 系统的集成，能够将箱体下线时的所有信息上传至上层管理系统，便于管理层查看和进行相关质量统计分析。

    RFID 的准确读取实现了变速箱总装车间生产流程管理和质量监控，并可大幅提高企业的信息化程度，增强企业信息的实时性，避免零部件装配过程中的人为失误。

    3.3 系统工作流程

    用 RFID 跟踪变速箱装配的工作流程如图3 所示：

图 3 基于RFID的装配线工作流程图

    3.4 MES 系统功能模块设计

    MES 连接了企业上层的ERP 系统和车间现场的数据采集系统，是二者的中间介质。在条码系统时，ERP 把生产计划数据传到车间后，由于缺乏实时的现场数据的反馈，因而不能有效的实时的控制变速箱的整个装配过程，有时因为信息的不准确导致了错误的决策。在引入了RFID技术以后，使企业的信息更加透明，ERP 控制车间的装配得以实现。同时，对相应的MES 功能模块进行提升，实现与现场数据采集系统的有效结合。制造执行系统的功能模块有以下几部分，如图4 所示。

图 4 MES 系统功能模块

    a) 生产计划管理：通过与ERP 系统的接口，自动生成车间作业计划，实现生产计划的及时调整。通过对RFID 标签的阅读，可以在看板上动态显示装配产品的信息。
    b) 现场数据采集：通过与RFID 系统以及现场设备的连接，实现生产信息的及时传递。
    c)物料管理：通过RFID 技术实现装配所需物料的查询、跟踪。
    d) 在制品查询：通过对RFID 标签的读取，可以实时了解装配线上在制品的进度、数量等。
    e) 质量管理：对变速箱质量信息进行全面管理，实现质量信息采集的自动化。对于统计过程中出现的问题及时处理。
    f) 生产队列管理：结合ERP 等系统导入生产计划，生产调度部门根据计划中要生产的产品以及生产线情况生产当天或某时段的优化生产计划队列，并把相应队列信息写入RFID标签中，更好的进行排产和调度的优化。
    g) 生产监控：通过对生产队列的实时监控及生产信息的及时发布，指导供应商或物流部门把物料及时、准确地投放到车间，实现精益生产。

    4 系统实现的关键因素

    系统构建的目的是在装配车间实现在制品的实时跟踪，并对装配过程各环节的状态进行监控，并将这些信息及时上传到MES 及ERP 系统，因此，RFID 系统与制造执行系统的集成、软硬件之间的通信等对系统的实现起着关键作用。

    4.1 基于RFID中间件的系统集成

    为了使 RFID硬件和制造执行系统软件能有效的进行信息交换，本文在此介绍了以RFID中间件为纽带进行RFID 系统和MES 的集成。RFID 中间件是一个位于RFID 系统和应用程序之间，负责系统之间的数据传递，用于解决RFID 数据的安全性、完整性和数据格式统一的问题。它可以屏蔽RFID 硬件设备的多样性和复杂性，处理从一个或多个阅读器获得的RFID 或传感器数据，对RFID 数据进行过滤、分组、计算等处理，为处于上层的MES 系统、ERP 系统提供运行与开发环境，帮助用户灵活、高效的开发和集成复杂的企业上层应用系统。

    RFID 和RFID 中间件之间采用RFID 系统本身提供的应用程序接口（API）来实现，RFID 中间件把数据处理后，通过标准接口对其他系统或程序发布数据。RFID 中间件基本结构如图5 所示。

图5 RFID中间件的基本结构

    首先，RFID中间件通过标准接口对阅读器进行管理及接收来自多个阅读器的海量EPC原始信息，然后过滤/处理模块根据中间件所制定的规则对RFID 原始数据、原始数据包进行去重、过滤、压缩、数据转换、数据聚合等操作，把有用信息以统一的语义暂存在内部数据库。而应用接口采用标准的协议与MES 应用系统进行通信，将MES 事先定义的与RFID 有关的业务上传至MES，提高RFID 数据应用的效率。

    4.2 移动通信接口技术

    在标准接口方面，常用的有RS-232、S-422、S-485 等标准数据接口，最初都是由电子工业协会制定并发布的。RS232 主要用于不同厂家产品之间的兼容，RS422 是从RS422 的基础上发展起来的，它改善了RS232 的不足，主要解决了RS232 中通信距离短、速率低的缺点，它是一种广播式的传输方式，即单机发送，多机接受的单向平衡传输规范。为了扩展范围，在RS422 的基础上制定了RS485 标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性。变速箱多点发送信息模式中，我们选择RS485 作为标准接口。

    在 RFID 数据到达应用系统之前主要是RFID 阅读器与计算机之间的通信。在变速箱装配线上，采用满足ISO/IEC18000-6 标准的标签和阅读器，阅读器根据RS485 标准与现场网络连接，阅读器通信模块和网络之间采用基于TCP/IP 协议进行通信，一方为客户端一方为服务器，进而实现信息的有效传输。

    4.3 RFID 成本

    目前 RFID 产品及服务的价格较之条形码系统仍然较高，这限制了RFID 大范围的应用。RFID 的价格主要包括硬件成本以及系统管理、数据处理等软件成本。因此在装配线进行应用时首先应从成本出发，找出有价值的关键点进行闭环使用，通过反复读写来降低单次应用标签的价格和整个系统的成本。在本文中主要选择了装配线上下线、关重工位以及质量检验工位作为阅读器的安装点。

    5 应用实例

    作为国家863 重大项目支撑之一，本文提出的应用方案已在重庆某变速箱有限公司得到了示范应用。企业一方面是为了提高生产效率，另一方面是为了满足国家零部件召回制度的要求，更好地为客户服务。

    RFID 设备主要是电子标签和阅读器，在进行选择时主要从以下几个方面考虑：符合国家标准；适合应用环境；与现有系统的集成；工作的可靠性；良好的性价比；识别的距离；识别的频率；系统的可扩展性；产品提供及维护的便捷性；是否有成功的应用案例等。在实际选择时，考虑到变速箱装配线上需识别的物体为金属，因此选择金属干扰能力较强的低频频段的RFID 标签。

    6 结束语

    本文根据变速箱的实际需求，将RFID 技术应用在变速箱装配线上，实现了在装配过程中对箱体的实时跟踪、信息采集和传递，使企业的信息化程度得以提高。本文提出的RFID的应用，弥补了条形码技术在信息采集、传递中的不足，实现了对在制品的实时跟踪，更高层次的实现了自动化管理。同时实现了与企业上层信息管理系统的集成，使车间信息得以全面的应用，解决了企业信息不畅通的问题，具有一定的借鉴作用。